发布日期：2024-09-29 22:31 点击次数：182
现如今，提到“次世代”游戏画面和美术，不少人会将其和更加细腻的模型面数与贴图精度联系起来，暂时不会期待有什么革命性的图形技术再次出现。毕竟在画面表现的探索上，尤其是“写实”风格这个赛道上，现有的美术制作管线已经在方法上达到了以假乱真的边界。当虚幻 5 亮相时，怎样增强美术的光影细节和软硬件的优化期货黄金杠杆，已经是次世代游戏美术的主攻方向。
而在几年前（2014 年 ~ 2017 年左右），游戏的美术制作曾经出现过一次历史性的突破，那就是 PBR（物理渲染）的出现。例如，《生化危机：启示录 2》（BIOHAZARD：Revelations 2，2015）和《生化危机 7》（Resident Evil 7 Biohazard，2017）的画面质感就有真正跨时代的区别。
不知道大家有没有印象，那几年间，游戏画面陡然间写实了很多，游戏中的材料质感也向着现实材质跨近了一大步。这种变革，就是源自于 PBR 技术的普及。
我记得当时有一些文章提到，《王者荣耀》那阶段在研究新的图形技术，将要让游戏画面焕然一新。文章前摇了很久，才提到他们用了 PBR 技术，并且将这个技术讲得极其神秘和玄妙……
那么，PBR 是什么呢？PBR，全称 Physically Based Rendering（基于物理渲染），可以模拟现实中光线的物理特性以及与各材质的交互作用。早在 2012 年，迪士尼在 SIGGRAPH 2012 上就提出了著名的“迪士尼原则的 BRDF（Disney Principled BRDF）”，开始应用 PBR 技术。
PBR 采用基于物理精确公式的算法来重现真实世界中的材质，从而生成具有一致性的逼真环境。
PBR 采用基于物理精确公式的算法来重现真实世界中的材质，从而生成具有一致性的逼真环境。
在 PBR 出现之前，所有游戏美术对于光线反射的处理，要么只是用纹理来模拟，要么只是根据灯光颜色进行一些基本的回馈。而 PBR 的最大特点，就是可以根据材质，对于环境贴图进行真实的反射——尤其是金属材质，这一点的表现尤为重要。
值得注意的是，PBR 技术刚刚应用在游戏行业时，对于环境的反射主要还是一张全景的环境贴图，也就是说，不管周围有什么即时环境变化，反射的内容仍然是那一张全景图，只不过会根据角度不同而反射出全景图的某一个位置。
当然，当时的“光栅”技术会粗糙地反射一部分相近的图像，而真正可以大量即时地反射周边画面的技术，是之后几年才慢慢成熟的“光线追踪”技术。
那么，这种物理反射的实现原理是什么呢？
光线作为一种电磁波，在照射到物体表面后，会因其材料和表面情况，呈现出不同效果的反射。一般来说，漫反射（Diffuse）会呈现出多方向并且缺乏规律的光线反射，而高光（Specular）则是特殊材料会体现出的有明显规律并且反射角度较少的特性。如果材料是导体，那么它的反射就会有我们平常所说的“金属光泽”；如果材料是非导体，那么就会呈现出“塑料感”或者类似的感觉。
在“模拟真实”这个基石下，一个关键的原则便是“能量守恒”。这意味着表面反射的光线总量不能超过其吸收的的光线总量。
在 PBR 中，有几种类型的贴图可帮助创建逼真且具有视觉冲击力的纹理：
反照率（引用的原文是翻译为这个词，但 Diffuse 在美术制作中更多是称作“漫反射”或者“基础色”）：代表材质的基础颜色，影响其整体外观和视觉写实度。
法线：模拟表面细节与不规则性，增强渲染场景细节层次。
粗糙度：粗糙度贴图可控制反射的锐利度，有助于描绘材质表面。
金属度：决定了材质的金属特性，影响其反射率和外观。
高光：根据光线方向和视角描述反射率的变化，有助于渲染场景的写实度。
高度图（Height）：用于对网格进行形变，常用于地形或悬崖等表面。
不透明度：确定材质的透明度，影响其视觉外观。
环境光遮蔽（AO）：影响材质的阴影效果，增加渲染视觉效果的深度。
折射：影响光线穿过材质的方式，从而增强材质的视觉效果。
自发光（Emissive）：控制材质的光线发射，影响其视觉效果。
反照率（引用的原文是翻译为这个词，但 Diffuse 在美术制作中更多是称作“漫反射”或者“基础色”）：代表材质的基础颜色，影响其整体外观和视觉写实度。
法线：模拟表面细节与不规则性，增强渲染场景细节层次。
粗糙度：粗糙度贴图可控制反射的锐利度，有助于描绘材质表面。
金属度：决定了材质的金属特性，影响其反射率和外观。
高光：根据光线方向和视角描述反射率的变化，有助于渲染场景的写实度。
高度图（Height）：用于对网格进行形变，常用于地形或悬崖等表面。
不透明度：确定材质的透明度，影响其视觉外观。
环境光遮蔽（AO）：影响材质的阴影效果，增加渲染视觉效果的深度。
折射：影响光线穿过材质的方式，从而增强材质的视觉效果。
自发光（Emissive）：控制材质的光线发射，影响其视觉效果。
需要注意的是，并不是每一个 PBR 材质都会用到这么多种类的贴图。除了流程耗时以外，通道越多，对系统的负担也会越高。尤其是金属度（Metallic）和高光（Specular）这两个贴图很多时候是不会共用的，基本上使用一个就行（同时，本文的重点是 Specular 和 Metallic 在 PBR 贴图中应用的历史，并不会花太多篇幅讨论其他的贴图类型）。
由于上文提到的原因，基于 PBR 的贴图制作，产生了两种制作方法。在当时的美术制作流程中，两种方法在主流商业游戏领域的应用率平分秋色。这就是以 Specular（高光）贴图和 Metallic（金属度）贴图为主要区分的制作思路。
而最终，Specular 贴图惨败于 Metallic，因为它为当时的美术团体带来了挥之不去的梦魇……
高光（Specular）贴图代表的含义，基本上就是这个表面所能反射出的光线能量。当你给一个 3D 物体添加 Specular 时，如果 Specular 的某个位置是黑色，那这里就没有反射；如果某个位置是白色，那么这里就有极其强烈的反射效果；如果一个位置是灰色的 Specular，那么这里就会有一个中等的反射度。
听起来好像不难理解吧？但是，这中间就有一些不好定义的部分。最基础的实现效果上，在其他参数相同时，你会发现，随着 Specular 值的提升，这个物体的表面好像从非金属慢慢变成了金属。这显然是不符合现实的，一个物体是不可能平缓地游走于这两种状态之间的。接下来，在制作方法层面，这种贴图的难点更多。
第一，Specular 的值和现实材质并没有统一的度量值。比如同样是石材，砖头、水泥、大理石、混凝土等等，各自该设置多强的 Specular 呢？当时，很多有经验的美术很快通过自己的勤奋与观察，迅速找到了自用的一套参数，来模拟出不同的材质。但很快行业内就发现，同样的 Specular 值，不同的游戏引擎，不同的项目，出来的效果都不同；甚至不同的美术总监，不同的美术人员，都会有自身感受的差异。这就导致很多美术每次做新物件，都会花很多时间在材质参数的确定上。
而这还只是开始。
第二，想做出写实的效果，有时还要进行一些弯弯绕绕的理解。那时候，我正在参与制作 Arkane 工作室的游戏《掠食》，这个项目就使用了 Specular 流程：金属材质要把基础的漫反射颜色（Diffuse）做成黑色，而金属本身的材质要体现在 Specular 贴图上。比如，你要做一个白色陶瓷品，但是它的一部分是黄铜，那么，在主体部分，基础色就是白色，Specular 是深灰色；而在黄铜部分，基础色是黑色，Specular 则是黄色。
这还只是一个最简单的例子。在实际制作中，还需要考虑材料是否上漆，是否镀层，是否有磨损、划痕、机油、脏迹、指纹，甚至材料本身是否是拉丝或者车漆等等有花纹的表面。每一种情况都要考虑到 Specular 的值，都要看看是否会产生不真实的反光。
还不算完！
第三，Specular 贴图有个特点，就是当加入 Glossiness（光滑度，Glossiness 贴图不在本文的讨论范围，只需要知道这个贴图也是物理渲染必不可少的一环，并且原理和 Specular 类似））贴图时，需要更加小心。记得之前提到过的那个 PBR 概念吗？表面反射的光线总量不能超过其吸收的的光线总量，而使用 Specular 时，同一个位置，与 Glossiness 的亮度值加起来是不能超过 1 的，不然最终效果就会不真实（黑为 0，白为 1，中间的灰度就是从 0 到 1 的渐变值。简单举例就是，Glossiness 如果用了亮灰色，那么 Specular 就只能用暗色或者黑色）。
当时，提到“次世代”和“PBR”，往往各种技术理论和专业术语就纷纷出现。为了清楚地理解这一套制作方式背后的原理，甚至还需要参考物理学，我亲眼看到过很多美术人员被各种专有名词折磨得痛苦不堪。不止于此，想象一下，你本是一个资深美术，以前，你做好模型后，只需要按照现实情况，把写实的颜色绘制在模型上就行了（虽然中间出现了法线贴图 Normal，但没有理解上的难点）；而现在，你需要先确认引擎，参考这个引擎的 Specular 使用方式，然后和总监沟通好主要材质的 Specular 参数，制作的时候还要时不时考虑 Glossiness 和正在制作的 Specular 加起来会不会太亮……
不光是制作，连检查流程也是要人老命。以至于当时工作室还准备了 PBR 理论的教学和考试，而新人来到工作室的一个重要考核指标，就是“PBR 理解是否正确”。
在经历过这些磨难后，Metallic 贴图终于出现了。
相对于 Specular，Metallic 贴图有什么特点呢？它最大的特点就是：好使。对于一个不了解技术的纯 3D 美术来说，Metallic 简直就是救世主。根据刚才提到的 Specular 的使用难点，我们对照地看一下 Metallic 的使用方式。
首先，它很好理解。在这个贴图中，白色就是金属，黑色是非金属，就这么一个简单的区别。不同引擎的不同效果？这个层面上不用考虑。大多数时候，只要用黑白来区分金属与非金属就行了（我知道有特殊情况下这个贴图会用到灰色，但是已经简单很多了）。
然后，它不必考虑和其他贴图的相互影响。这个材质看起来是什么颜色，和 Metallic 无关。Metallic 只管定义是不是金属，颜色就用颜色贴图加上就行了。
最后，Glossiness？那更是不关我事，自己负责自己的部分就行了。美术不再需要实时提醒自己光线的吸收量和反射量的平衡，可以根据自己的经验去分别判断材质是否金属，是否光滑。
当美术工作者做了一次 Metallic 流程后，就像是高考过后的学生，根本不想回到之前那个拼命学习的状态，脑海中只有一个虔诚的祈祷：拜托各位都来使用 Metallic 贴图吧！果然，没过几年，主流游戏的美术管线全都用上了 Metallic 流程。在《掠食》这个项目之后不久，我参与的 Capcom 游戏《鬼泣 5》，以及 Sandlot 的《地球防卫军 5》，就开始全面应用 Metallic 流程了。
当然，在 Metallic 美术管线刚刚出现的一两年间，Specular 仍然应用于很多主流项目中。毕竟已经养成的制作惯性不是说改就能立刻改过来的。尤其是移动游戏领域，Metallic 流程真正普及仍然花费了很长时间。
虽然 Metallic 替代 Specular 是大势所趋，但直至今日，或许是因为 Specular 贴图仍然有其自身的一些优点，又或者是其他原因，现在的主流引擎仍然为它留下了使用接口。
但是，工具是需要贴合使用者的。方便、易用才是最好的宣传。美术人员不是技术人员，微波炉再先进，你让我用微波炉做雪糕，也是为难。
以上只是我对那个年代的感慨。可以看到，任何一种革命性的技术和方法出现后，都会经历一段时间的混沌期。虽然当时会感到一定程度的痛苦和迷茫，但是事后回忆，也有一定的乐趣存在。这篇文章不是纯粹的技术分享，而是对彼时业内情况的回忆。作为这一段乱世的参与者，我发现中文网络环境中没有什么资料将这一段历史科普给大家，这让人颇为遗憾……所以，我尽量以人人都能看得懂的语言说明当时发生了什么。
不知道下一次的图形革命又会是什么？我听说虚幻 5 的多边形支持数已经达到了亿级，或许很多贴图和制作流程会被淘汰掉。
不过，现在我已经彻底来到了独立游戏这个赛道，很多新技术来到我身边的那一天，或许还有很久。
参考资料：
http://blog.wolfire.com/2015/10/Physically-based-rendering
https://www.chaos.com/cn/blog/what-is-pbr-physically-based-rendering-a-complete-guide
特斯拉FSD12.5.x更新将统一高速和市区软件栈
https://zhuanlan.zhihu.com/p/53086060
https://www.modding-forum.com/guide/17-diffuse-specular-and-normal-maps/
https://cgobsession.com/complete-guide-to-texture-map-types/
https://www.chaos.com/blog/what-is-pbr-physically-based-rendering-a-complete-guide
http://wedesignvirtual.com/what-does-a-specular-map-do/
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